Структурная теплоизоляционная панель ( СИП ) — это разновидность сэндвич-панели, используемая в строительной отрасли.
SIP — это композит с многослойной структурой , состоящий из изоляционного слоя жесткого сердечника, зажатого между двумя слоями структурной плиты, используемой в качестве строительного материала . Плита может быть листовым металлом, фанерой, цементом, плитой из оксида магния (MgO) или ориентированно-стружечными плитами (OSB), а сердечник может быть либо вспененным полистиролом (EPS), экструдированным пенополистиролом (XPS), пенополиизоциануратом , пенополиуретаном или быть композитным сотовым заполнителем (HSC).
SIP-панели обладают теми же структурными свойствами, что и двутавровая балка или двутавровая колонна. Жесткое изоляционное ядро SIP действует как перемычка, а обшивка выполняет функцию фланцев. SIP-панели сочетают в себе несколько компонентов обычного строительства, таких как стойки и балки, изоляция, пароизоляция и воздушный барьер. Их можно использовать для множества различных применений, таких как внешние стены, крыши, полы и фундаментные системы.
Хотя панели с пенопластовым сердечником привлекли внимание в 1970-х годах, идея использования панелей с напряженной оболочкой для строительства возникла в 1930-х годах. Исследования и испытания технологии проводились в основном Лабораторией лесной продукции (FPL) в Мэдисоне, штат Висконсин , в рамках попытки Лесной службы США сохранить лесные ресурсы. В 1937 году был построен небольшой дом с напряженной оболочкой, который привлек достаточно внимания, чтобы первая леди Элеонора Рузвельт освятила дом. В качестве свидетельства долговечности таких панельных конструкций он выдержал климат Висконсина и использовался Университетом Висконсин-Мэдисон в качестве детского сада до 1998 года, когда его демонтировали, чтобы освободить место для нового здания Фармацевтической школы. С успехом панелей с напряженной оболочкой было высказано предположение, что более прочная оболочка может выдержать всю структурную нагрузку и полностью исключить каркас .
Таким образом, в 1947 году началась разработка структурных изоляционных панелей, когда гофрированные картонные сердцевины были испытаны с различными материалами обшивки из фанеры, закаленного ДВП и обработанного картона. Здание было демонтировано в 1978 году, и большинство панелей сохранили свою первоначальную прочность, за исключением картона, который не подходит для воздействия на открытом воздухе. Панели, состоящие из полистирольного сердечника и бумаги, покрытых фанерными оболочками, использовались в здании в 1967 году, и по состоянию на 2005 год [update]панели показали себя хорошо.
Системы SIP использовались компанией Woods Constructors из Санта-Паулы, Калифорния , в их домах и квартирах с 1965 по 1984 год. Эта работа стала основой для Джона Томаса Вудса, Пола Флэтера Вудса, Джона Дэвида Вудса и Фредерика Томаса Вудса, когда они использовали похожую концепцию для патента на форму фундамента для модульных домов (патент США № 4817353), выданного 4 апреля 1989 года. Многочисленные дома в Санта-Пауле, Филморе , Палм-Спрингс и близлежащих районах используют SIP в качестве основного метода строительства. Проект получил одобрение от (тогда) ICBO и SBCCI, теперь ICC.
SIP-панели чаще всего изготавливаются из панелей OSB, зажатых вокруг пенопластового сердечника из вспененного полистирола (EPS), экструдированного полистирола (XPS) или жесткого пенополиуретана. Вместо OSB могут использоваться другие материалы, такие как фанера, фанера, обработанная под давлением, для стен фундамента ниже уровня земли, сталь, [1] алюминий, цементная плита, такая как Hardiebacker, и даже экзотические материалы, такие как нержавеющая сталь, армированный волокном пластик и оксид магния. Некоторые SIP-панели используют листы волокнистого цемента или фанеры для панелей и сельскохозяйственное волокно, такое как пшеничная солома, для сердечника.
Третий компонент в SIP — это шлицы или соединительные элементы между SIP. Обычно используется размерная древесина, но она создает тепловой мост и снижает показатели изоляции. Чтобы поддерживать более высокие показатели изоляции через шлицы, производители используют изолированные пиломатериалы, композитные шлицы, механические замки, перекрывающиеся панели OSB или другие креативные методы. В зависимости от выбранного метода могут стать доступными и другие преимущества, такие как полная поверхность для гвоздей или повышенная прочность конструкции.
SIP чаще всего производятся на традиционном заводе. Оборудование для обработки используется для регулирования давления и тепла единообразно и последовательно. Существует два основных метода обработки, которые соответствуют материалам, используемым для сердцевины SIP. При производстве панели с сердцевиной из полистирола требуются как давление, так и тепло, чтобы обеспечить проникновение и полное застывание связующего клея. Хотя существует ряд вариаций, в общем, сердцевина из пенопласта сначала покрывается клеем, а оболочка устанавливается на место. Три детали устанавливаются в большое зажимное устройство, и применяется давление и тепло. Три детали должны оставаться в зажимном устройстве, пока клей не затвердеет.
При изготовлении панели с полиуретановым сердечником давление и тепло генерируются из-за расширения пены во время процесса вспенивания. Кожи устанавливаются в большое зажимное устройство, которое выполняет функцию формы. Кожи должны быть отделены друг от друга, чтобы позволить жидким полиуретановым материалам течь в устройство. Попав в устройство, пена начинает подниматься. Форма/пресс обычно настроены так, чтобы выдерживать тепло и давление, возникающие при химическом вспенивании. SIP оставляют в форме/прессе для небольшого затвердевания, и после извлечения он продолжает затвердевать в течение нескольких дней.
До недавнего времени оба эти процесса требовали заводской настройки. Однако недавние достижения представили альтернативу с оборудованием для обработки SIP, которое позволяет производить SIP на стройплощадке. Это хорошие новости для строителей в развивающихся странах, где эта технология может быть наиболее подходящей для сокращения выбросов парниковых газов и повышения устойчивости в жилищном строительстве, но недоступна.
Использование SIP-панелей имеет множество преимуществ и некоторые недостатки по сравнению с традиционным каркасным зданием.
Стоимость SIP выше, чем стоимость материалов для сопоставимого каркасного здания в Соединенных Штатах; однако, это может быть не так в других местах. Хорошо построенный дом с использованием SIP будет иметь более плотную оболочку здания, а стены будут иметь более высокие изоляционные свойства, что приводит к меньшему количеству сквозняков и снижению эксплуатационных расходов. Кроме того, из-за стандартизированной и универсальной природы SIP, время строительства может быть меньше, чем для каркасного дома, а также требует меньше рабочих. Панели могут использоваться в качестве пола, стен и крыши, причем использование панелей в качестве полов особенно выгодно при использовании над неизолированным пространством внизу. В результате общая стоимость жизненного цикла здания, построенного с использованием SIP, будет, в целом, ниже, чем для обычного каркасного здания — на целых 40%. То, будет ли общая стоимость строительства (материалы и рабочая сила) ниже, чем для обычного каркасного, по-видимому, зависит от обстоятельств, включая местные условия труда и степень оптимизации конструкции здания для той или иной технологии.
Система с покрытием из OSB в некоторых случаях структурно превосходит обычную каркасную конструкцию; в первую очередь по прочности на осевую нагрузку. SIP сохраняют схожую универсальность с каркасными домами при включении индивидуальных проектов. Кроме того, поскольку SIP работают как каркас, изоляция и внешняя обшивка и могут поставляться предварительно нарезанными на заводе для конкретной работы, внешняя оболочка здания может быть построена довольно быстро. Панели SIP также, как правило, легкие и компактные, что способствует такому строительству вне площадки. Экологические характеристики SIP, кроме того, очень хороши из-за их исключительной теплоизоляции . Они также обеспечивают устойчивость к проблемам сырости и холода, таким как усадка при сжатии и образование мостиков холода, с которыми не могут сравниться древесина и более традиционные строительные материалы. [2]
При испытаниях в лабораторных условиях SIP, входящий в систему стен, фундамента, пола или крыши, устанавливается в устойчивой среде (без инфильтрации воздуха); системы, включающие изоляцию из стекловолокна, не устанавливаются в устойчивой среде, поскольку им требуется вентиляция для удаления влаги.
За исключением конструкционных металлов, таких как сталь, все конструкционные материалы со временем ползут . В случае SIP-панелей изучен потенциал ползучести SIP-панелей с облицовкой из OSB и сердцевиной из EPS или полиуретановой пены, и существуют рекомендации по расчету ползучести. [3] [4] Долгосрочные эффекты использования нетрадиционных облицовочных и сердцевинных материалов требуют проведения испытаний на ползучесть для конкретных материалов с целью количественной оценки расчетных значений ползучести.
В Соединенных Штатах SIP-панели, как правило, имеют ширину от 4 футов (1,22 м) до 24 футов (7,32 м). В других местах типичные размеры продукта составляют 300, 600 или 1200 мм в ширину и 2,4, 2,7 и 3 м в длину, а SIP-панели для крыши — до 6 м в длину. Меньшие секции облегчают транспортировку и обработку, но использование максимально возможной панели позволит создать здание с лучшей изоляцией. При весе 15–20 кг/м2 более длинные панели могут быть трудно перемещать без использования крана для их установки, и это соображение необходимо учитывать из-за ограничений по стоимости и месту. Также следует отметить, что при необходимости в особых обстоятельствах часто могут запрашиваться более длинные пролеты, например, для длинного пролета крыши. Типичная высота панелей в США составляет восемь или девять футов (от 2,44 до 2,75 м). Панели имеют ширину от 4 до 12 дюймов, а приблизительная стоимость составляет $4–$6/фут2 в США [5] В четвертом квартале 2010 года были коммерциализированы новые методы формирования радиуса, синусоидальной кривой, арок и трубчатых SIP. Из-за особенностей изготовления и технической сложности формирования и отверждения специальных форм, цены обычно в три или четыре раза выше, чем у стандартных панелей за фут. [6]
EPS является наиболее распространенным из используемых пенопластов и имеет значение R ( тепловое сопротивление ) около 4 °F·фут 2 ·ч/БТЕ (что эквивалентно примерно 0,7 К·м 2 /Вт) на 25 мм толщины, что дало бы 3,5 дюймам (89 мм) пенопласта в панели толщиной 4,5 дюйма (110 мм) значение R 13,8 (внимание: экстраполяция значений R на толщину может быть неточной из-за нелинейных тепловых свойств большинства материалов). Это на первый взгляд кажется сопоставимым с плитой из стекловолокна R-13, но поскольку в стандартном каркасном доме значительно больше стены, содержащей древесину с низким значением R, которая действует как мостик холода, тепловые характеристики стены из SIP R-13,8 будут значительно лучше.
Герметичность домов SIP привела к тому, что программа Energy Star Агентства по охране окружающей среды установила протокол проверки вместо обычно требуемого испытания на вентиляционную дверь для оценки утечки воздуха в доме. Это позволяет ускорить процесс и сэкономить деньги застройщика/домовладельца.
Международный строительный кодекс ссылается на APA, Plywood Design Specification 4 — Design & Fabrication of Plywood Sandwich Panels для проектирования SIP. [7] В этом документе рассматривается базовая инженерная механика SIP, но не приводятся проектные свойства для панелей, поставляемых каким-либо конкретным производителем. В 2007 году предписывающие положения по проектированию для SIP с покрытием из OSB были впервые введены в Международном жилищном кодексе 2006 года. Эти положения содержат рекомендации по использованию SIP только в качестве стеновых панелей.
Помимо этих непатентованных стандартов, отрасль SIP в значительной степени полагалась на патентованные отчеты по оценке кодов. В начале 2009 года SIPA объединилась с ICC NTA, LLC, сторонним агентством по сертификации оценки продукции, чтобы подготовить первый общеотраслевой отчет по коду, который доступен всем членам SIPA, имеющим на это право. В отличие от предыдущих отчетов по коду, предписывающие положения, представленные в отчете по коду SIPA, получены из методологии инженерного проектирования, которая позволяет специалисту по проектированию учитывать условия нагрузки, не рассматриваемые в отчете по коду. [4] [8]